在ABS处具有电流约束的三层读取器 |
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| 申请号 | CN201110115828.8 | 申请日 | 2011-03-18 | 公开(公告)号 | CN102298932B | 公开(公告)日 | 2015-08-26 |
| 申请人 | 希捷科技有限公司; | 发明人 | D·V·季米特洛夫; 宋电; M·W·科温顿; J·韦塞尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种在ABS处具有 电流 约束的三层读取器。描述了一种敏感度和 稳定性 都得到改进的磁阻读取 传感器 。该传感器是位于两个 电极 之间的三层堆栈。该三层堆栈具有由非 磁性 层间隔的两层自由层以及位于堆栈后与空气承载表面分离距离为条带高度的偏置磁体。传感器中的电流被绝缘层约束到接近空气承载表面的区域，从而使得读取器敏感度得到增强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁阻传感器，包括： |
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| 说明书全文 | 在ABS处具有电流约束的三层读取器背景技术[0001] 在磁数据存储及检索系统中，磁记录头典型地包括读取器部分，该读取器部分具有用于检索磁盘上存储的磁编码信息的磁阻(MR)传感器。来自盘表面的磁通量导致MR传感器的单层传感层或多层传感层的磁化矢量产生旋转，这又导致MR传感器的电阻率发生变化。传感层通常称为“自由”层，因为传感层的磁化矢量响应于外部磁通量而自由旋转。MR传感器的电阻率变化可以通过使电流经过MR传感器并测量MR传感器两端的电压而检测得到。之后，外部电路将电压信息转换为适当的格式，并根据需要对该信息进行处理，从而恢复盘上的编码信息。 [0002] MR传感器已经得到发展，可表现为以下三种主要类型：(1)各向异性磁阻(AMR)传感器，(2)巨磁阻(GMR)传感器，包括自旋阀传感器及多层GMR传感器，以及(3)隧穿巨磁阻(TGMR)传感器。 [0003] 除了传感器的磁性层由薄到允许磁性层之间的电子隧穿的绝缘薄膜分离以外，隧穿GMR(TGMR)传感器与GMR传感器相似具有一系列交替的磁性层和非磁性层。TGMR传感器的电阻取决于磁性层的相对磁化方向，对于磁性层的磁化为平行的构造呈现为最小值，对于磁性层的磁化方向为反平行的构造呈现为最大值。 [0004] 对于所有类型的MR传感器而言，响应于来自盘的磁通量出现磁化旋转。随着磁盘的记录密度持续增大，盘上磁道及比特的宽度必须减小。这使得愈加缩小的MR传感器以及变窄的屏蔽-屏蔽的间距成为必要。由于MR传感器在尺寸上变得更小，特别地对于尺寸小于大约100纳米(nm)的传感器，传感器可能对从磁盘施加的磁场表现出不符合需要的磁性响应。MR传感器必须通过这样的方式来设计：即使是小型的传感器也免受磁性噪声影响，并且提供具有适当振幅的信号，从而精确地恢复盘上写入的数据。 [0005] GMR和TGMR读取器可以使用自由层和参考层之间的电阻以检测介质杂散场，从而读回存储的信息。参考层的磁化方向通过铁磁钉扎层的反铁磁(AFM)耦合交互作用来固定，该铁磁钉扎层由反铁磁(AFM)材料再次钉扎。参考层和钉扎层与它们之间的反铁磁耦合层一起作为所谓的合成反铁磁(SAF)结构。这种构造具有两种主要缺陷。第一个是由于复杂的多层结构导致的高屏蔽-屏蔽间距。对屏蔽-屏蔽间距持续减小的需求受限于传感器中各个层由于变得更薄而出现的不稳定性。例如，AFM材料的钉扎强度随着厚度的减小而降低。因而，当参考层未被良好钉扎时，薄弱钉扎的SAF结构导致传感器噪声增加。传统的GMR和TGMR传感器的另一个缺陷在于在ABS表面需要使用永磁体(PM)来形成适当的自由层偏置状态。读取器屏蔽-屏蔽间距的减小需要减小PM厚度，这使得实现所需的PM偏置场愈加困难。 [0006] 具有双自由层的三层读取器是解决这些问题的一种方案。在三层结构中，沿切向磁化的双自由层用于检测介质磁通量。合成反铁磁(SAF)和反铁磁(AFM)层不是必须的，且当双自由层都具有在空气承载表面处的端部时自由层偏置来自后端永磁体和退磁场的结合。由于PM从ABS表面下凹，因此它不会对无需牺牲PM材料属性和偏置场而实现较小屏蔽-屏蔽的间距产生影响。具有短条带(stripe)高度和后端磁偏置的三层读取器具有高质量的读回信号，但是在磁性上不稳定并且对于工艺变化非常敏感。发明内容 [0007] 磁阻传感器包括三层堆栈，该三层堆栈包括覆层、由非磁性层分离的第一反铁磁层和第二反铁磁层以及种子层。三层传感器被位于堆栈后端的后偏置磁体偏置。绝缘层部分地覆盖三层堆栈，从而使得经过堆栈的电流被约束到空气承载表面附近以提高敏感度。附图说明 [0008] 图1是沿着与读/写头的空气承载表面(ABS)垂直的平面截取的磁读/写头和磁盘的示意性横截面图。 [0009] 图2是图1的磁读/写头的示意性ABS视图。 [0010] 图3示出与平面(CPP)传感器堆栈垂直的典型三层电流的示意性ABS视图。 [0011] 图4是沿截面A-A截取的图3所示的传感器堆栈的示意性横截面图。 [0012] 图5是沿着图3的截面B-B截取的短条带高度的三层传感器的示意性横截面图。 [0013] 图5A是图5的三层传感器中磁场强度的图示。 [0014] 图6是沿图3的截面B-B截取的长条带高度的三层传感器的示意性横截面图。 [0015] 图6A是图6的三层传感器中磁场强度的图示。 [0016] 图7-10是根据本发明的三层传感器四种不同实施例的示意性横截面图。 具体实施方式[0017] 图1是沿着与读/写头10的空气承载表面ABS垂直的平面截取的磁读/写头10和磁盘12的示意性横截面图。磁读/写头10的空气承载表面ABS面对磁盘12的盘表面16。磁盘12沿着相对于磁读/写头10的方向移动或旋转，如箭头A所示的方向。空气承载表面ABS和盘表面16之间的间距优选地被最小化，同时避免磁读/写头10和磁盘12之间的接触。 [0018] 磁读/写头10的写入器部分包括顶部极18、绝缘体20、导体线圈22和底部极/顶部屏蔽24。导体线圈22通过使用绝缘体20保持在顶部极18和顶部屏蔽24之间的位置上。导体线圈22在图1中示为两层线圈，但是也可以由任意几层线圈形成，这是磁读/写头设计领域中的公知常识。 [0019] 磁读/写头10的读取器部分包括底部极/顶部屏蔽24、底部屏蔽28和磁阻(MR)堆栈30。MR堆栈30位于底部极24和底部屏蔽28的终端之间。底部极/顶部屏蔽24既起到屏蔽的作用，又与顶部极18协作起到共用极的作用。 [0020] 图2是磁读/写头10的空气承载表面ABS的示意图。图2图示了磁读/写头10的重要磁性部件沿着图1的磁读/写头10的空气承载表面ABS出现的位置。为了清楚起见，图2中省略磁读/写头10的全部间距和绝缘层。底部屏蔽28和底部极/顶部屏蔽24间隔开以提供MR堆栈30的位置。传感电流经底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28流过MR堆栈30。虽然在图1和图2中传感电流通过底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28注入，然而其它构造具有与底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28电隔离的MR堆栈且额外的导线向MR堆栈30提供传感电流。当传感电流经过MR堆栈30时，读取传感器表现出电阻响应，这导致输出电压发生变化。由于传感电流的流向垂直于MR堆栈30的平面，磁读/写头10的读取器部分是垂直于平面(CPP)型装置的电流。磁读/写头10仅仅是示范性的，也可以根据本发明采用其它CPP结构。 [0021] 图3示出包括三层MR堆栈51的典型三层CPP MR传感器50的ABS视图。MR堆栈51包括金属覆层52、第一自由层54、非磁性层56、第二自由层58和金属种子层60。三层MR堆栈51位于底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间。 [0022] 在操作中，传感电流Is垂直于三层MR堆栈51的层52-60的平面流动，并且经受与第一自由层54和第二自由层56的磁化方向之间形成的角度的余弦成比例的电阻。然后，测量三层MR堆栈51两端的电压以确定电阻的变化，并且产生的信号用于从磁介质恢复编码的信息。需要注意的是，三层MR堆栈51构造仅仅是示范性的，也可以根据本发明使用用于三层MR堆栈51的其它层构造。 [0023] 三层MR堆栈51的第一自由层54和第二自由层58的磁化方向是反平行的，在不存在其它磁场或力的情况下，最初设置为与ABS平行。自由层沿该反平行方向的对准归因于两个自由层之间的静磁交互作用，并且当读取器宽度(RW)大于条带高度(SH)时出现。为了增强读取器敏感度，两个自由层的对准优选地相对于彼此正交对准，分别与ABS成大致45度。这通过三层MR堆栈51之后的偏置每个自由层的后偏置磁体(图3未示出)来实现。图4是沿图3的截面A-A截取的CPP MR传感器50的示意性横截面图，它示出在底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间比ABS下凹的MR堆栈51之后的后偏置磁体62。ABS之后的三层传感器堆栈51的长度是条带高度SH，如图所示，在之后阐述的实施例中作为一个重要的变量。 [0024] 图5示出沿着图3的截面B-B与三层CPPMR传感器50的ABS垂直的示意性横截面图。示出具有空气承载表面ABS的三层MR堆栈51A位于记录介质12之上。示出后偏置磁体62位于比空气承载表面ABS下凹的三层MD堆栈51A之上。 [0025] 三层MR堆栈51A的层结构与三层MR堆栈51的层结构相同。后偏置磁体62的磁化方向，如箭头63所示，沿垂直向下的方向指向空气承载表面ABS。三层MR堆栈51的第一自由层FL1和第二自由层FL2的磁化方向分别由箭头53A和55A示意性示出。如前所述，在不存在后偏置磁体62的情况下，磁化方向53A和55A与ABS平行，但是彼此反平行。后偏置磁体62的存在使得磁化方向53A和55A成为切向关系，如图所示。 [0026] 图5A的图示中的曲线57A描述来自于三层MR堆栈51A的记录介质12的磁场强度H介质。如图5A所示，传感器的磁场强度作为离开ABS的距离的函数发生指数级衰减。在图5所示的传感器几何结构中，读取器宽度RW大于三层堆栈51A的条带高度SHA。自由层FL1和FL2的磁化方向53A和55A的切向关系导致敏感度增强，这是由于两种磁化方向自由地响应于H介质，介质磁通量。然而，由制造期间工艺变化引起的微小变化可能导致传感器输出中不可接受的大变化，或者甚至是导致产量降低到不可接受的水平的磁性不稳定的部分。 [0027] 图5所示的传感器几何结构的变化例在图6中示出。示出后偏置磁体62位于三层MR堆栈51B之上远离空气承载表面ABS。三层MR堆栈51B的层结构与三层MR堆栈51的层结构相同。三层MR堆栈51B与三层MR堆栈51A的区别在于三层MR堆栈51B的条带高度SHB比三层MR堆栈51B的读取器宽度RW大至少两倍。传感器堆栈51A和51B具有相同的读取器宽度RW。后偏置磁体62的磁化方向由箭头63所示，沿垂直向下的方向指向空气承载表面ABS。第一自由层FL1和第二自由层FL2的磁化方向分别由箭头53B和55B示意性示出。 [0028] 与三层MR堆栈51A的磁化方向相反，在三层MR堆栈51B后端的各个自由层的磁化方向是稳定的，且与后偏置磁体62的磁化方向平行，如箭头63所示。由于三层MR堆栈51B的条带高度较长，自由层FL1和FL2的磁化方向由于FL1和FL2之间的静磁交互作用自然地放松到距离ABS最近的发散方向，如箭头53B和55B所示。三层传感器堆栈51B的稳定性和稳健性显著地超过三层MR堆栈51A。然而，增强的稳定性伴随着成本。条带高度增大的结果是三层MR堆栈51B的大部分长度不会对磁阻传感信号起作用。而是，传感器堆栈的后端起到电分流器的作用，因而降低传感器输出。 [0029] 在下文中述及的本发明实施例围绕该问题并提供具有稳健稳定性及增强的敏感度的三层读取器传感器。 [0030] 图7中的CPP MR传感器70示出本发明的示例性实施例。在CPP MR传感器70中，三层MR堆栈71的条带高度是如图6所示的读取器宽度RW的至少两倍。CPP MR传感器70由位于底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间具有后间隙磁体62的三层MR堆栈71构成，该后间隙磁体62如图4的CPP MR传感器50所示的在三层MR堆栈51之后。区别在于CPP MR传感器70中的绝缘层72位于三层MR堆栈71和底部屏蔽28之间。绝缘层72从底部屏蔽28的后端延伸到与ABS接近的距离，从而使得从底部屏蔽28经过三层MR堆栈71到达底部极/顶部屏蔽24的电流受到约束。通过将电流约束到ABS附近，如箭头所示，三层MR堆栈71后端的电分流器断路，使得传感器输出增大。 [0031] 图8中示出了另一示例性实施例。CPP MR传感器80由三层MR堆栈71构成，该三层MR堆栈71位于底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间，具有较长的条带高度，在该三层MR堆栈71之后具有后间隙磁体62。在这种情况下，绝缘层73位于底部极/顶部屏蔽24和三层MR堆栈71之间。绝缘层73从底部屏蔽28的后端延伸到与ABS接近的距离，从而使得从顶部屏蔽24经过三层MR堆栈71到达底部屏蔽28的电流受到约束，如箭头所示。 通过将电流约束到ABS附近，三层MR堆栈71后端的电分流器断路，使得传感器输出增大。 [0032] 图9中示出了另一示例性实施例。CPPMR传感器90由三层MR堆栈71构成，该三层MR堆栈71位于底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间，具有较长的条带高度，在该三层MR堆栈71之后具有后间隙磁体62。在这种情况下，绝缘层73位于底部极/顶部屏蔽24和三层MR堆栈71之间，绝缘层72位于底部屏蔽28和三层MR堆栈71之间。绝缘层72和73从顶部屏蔽24和底部屏蔽28的后端延伸到与ABS接近的距离，从而底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间或底部屏蔽28和底部极/顶部屏蔽24之间经过三层MR堆栈71的电流受到约束。通过将电流约束到ABS附近，三层MR堆栈71后端的电分流器断路，使得传感器输出增大。 [0033] 图10中示出了另一实施例。CPPMR传感器100由三层MR堆栈71构成，该三层MR堆栈71位于底部极/顶部屏蔽24和底部屏蔽28之间，具有较长的条带高度，在该三层MR堆栈71之后具有后间隙磁体62。绝缘层72从底部屏蔽28的后端延伸到ABS。在这种情况下，绝缘层72距离ABS最近的部分被处理为将绝缘层72转换为导电部分74。导电部分74使得从底部屏蔽28经过三层MR堆栈71到达底部极/顶部屏蔽24的电流受到约束，如箭头所示。通过在电流经过三层MR堆栈71时将电流约束到ABS附近，三层MR堆栈71后端的电分流器断路，使得传感器输出增大。 [0034] 在ABS经过若干工艺研磨之后，绝缘层72可以转换为导电区74。在此描述其中的一些工艺。一种方法是采用共溅射的Fe和SiO2作为绝缘层。产生的Fe/SiO2层是非晶态的，且呈电阻抗。通过对ABS激光曝光对ABS达到大致350℃到400℃的适当温度的优先热处理，这导致Fe偏析以及接近ABS的导电通道的形成。另一种方法是采用TiOX阻挡层作为绝缘层。在普通的空气中或者在氢气中研磨包括TiOX绝缘层的ABS在TiOX层中形成缺陷，该缺陷形成导电通道，从而允许在ABS处流过电流。 [0035] 在ABS处转换为导体通道以约束通过ABS处的传感器堆栈71的电流的绝缘层还可以位于底部极/顶部屏蔽24和堆栈71之间以及底部屏蔽28和堆栈71之间。需要注意的是，上述传感器堆栈仅仅是示例性的，也可以根据本发明采用其它构造。 [0036] 虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，然而所属领域技术人员应该知晓可以做出各种改变以及由等同物替代其部件，这不脱离本发明范围。此外，做出多种改进以使具体的情况或材料适应本发明的教导而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并非限制于所公开的具体实施例，而是本发明包括落入所附的权利要求范围内的全部实施例。 |
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